纳米材料及应用综述

纳米材料及应用综述

蔡春波

摘要:纳米材料是当今材料学科发展领域最重要的前沿研究课题，本文详细介绍纳米材料的范围、定义、四个基本效应以及介绍了纳米材料与传统材料的区别及在涂料、催化和精细化工及陶瓷、电子学等方面的应用,最后对纳米材料技术的发展进行了展望方面的具体应用情况。

关键词：纳米材料发展应用

Abstract: Nano materials is the most important development of materials research, the frontiers of nanometer materials is introduced in detail in this paper, the definition and scope of four basic effects and introduces the nanometer material and the difference between traditional materials and coatings, catalysis and fine chemical industry and ceramics, electronics, etc, the application of nanometer materials technology development prospects of specific application.

Key word: Nano materials development application

1.引言

纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料，它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100一102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。

1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯

物质的纳米细粉。Gleite;在高真空的条件下将粒径为6nm的Fe粒子原位加压成形，烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构.

在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到l00nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。

纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。

2.纳米材料的构成：

纳米是一个尺度的度量，1 nm=10-9m，纳米来命名材料是在20世纪80年代。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（小于100 nm）或由它们作为基本单元构成的材料。它的尺寸大于原子簇而小于通常的微粉，处原子簇和宏观物体交界的过渡区域；是近年来发展起来的新型结构的材料。它与晶体和非晶态材料不同。晶态的基本特征是长程有序，非晶态的基本特征是长程无序，短程有序。纳米态的基本特征是中程有序原子与类“气态状”

原子并存。纳米材料由2种结构组元构成:晶体组元和界面组元。晶体组元由所有晶粒中的原子组成，这些原子都严格位于晶格位置上；界面组元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。超微晶粒内部的有序原子与超微晶粒的界面无序原子各占薄膜总原子数的50%。界面结构由相邻晶粒的相对取向和边界的倾角决定。如果晶粒取向是随机的，则纳米材料所有晶粒间界面将具有不同的结构，此结构由不同的原子间距表征。所有晶界的原子间距不同，从统计意义来说，不具有择优的原子间距，这些界面的平均结果将导致各种可能的原子间距取值，从这个意义上说，可以认为界面的结构既不具有晶体的长程序，也不具有非晶态的短程序；但从另一意义上说，界面原子是由晶粒表面原子组成，所以这些原子又具有某种特殊的序。因此，界面原子处于一种特殊的状态，是一种物质新态—纳米态。研究纳米材料是德国物理学家H.Gleiter[1]运用逆向思维的一个结果。长期以来人们视具有完整空间点阵结构的实体是晶体材料的主体，而把空间点阵中的空位、替位原子、间隙原子、相界、位错和晶界看作晶体材料中的缺陷。而他设想：把“缺陷”作为主体，研制出一种晶界占有相当大体积比的材料，那么世界将会怎样？经过四年的不懈工作，他终于在1984年研制成功黑色金属粉末。实验表明，任何金属颗粒，当其尺寸在纳米量级时都呈黑色，尽管各种块状金属各具色彩。

3.纳米材料特性：

一般在宏观领域中，某种物质固体的理化特性与该固体的尺度大小无关。当物质颗粒小于100 nm时，物质本身的许多固有特性均发生质的变化。这种现象称为“纳米效应”。纳米材料具有三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

3.1表面效应

纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。随着粒径变小，表面原子所占百分数将会显著增加。当粒径降到1 nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。

3.2小尺寸效应

由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，比表面积增加，从而产生一系列新奇的性质：

1)特殊的光学性质：纳米金属的光吸收性显著增强。粒度越小，光反射率越低。所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。金属超微颗粒对光的反射率通常可低于l％，约几微米的厚度就能完全消光。相反，一些非金属材料在接近纳米尺度时，出现反光现象。纳米TiO2、纳米SiO2、纳米Al2O3等对大气中紫外光很强的吸收性。

2)热学性质的改变：固态物质超细微化后其熔点显著降低。当颗粒小于10 nm量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064C℃，当颗粒尺寸减小到2 nm尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。

3)特殊的磁学性质：小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80A／m，而当颗粒尺寸减小到20 nm以下时，其矫顽力可增加1千倍，当颗粒尺寸约小于6 nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。

4)特殊的力学性质：纳米材料的强度、硬度和韧性明显提高。纳米铜的强度比常态提高5倍；纳米金属比常态金属硬3～5倍。纳米陶瓷材料具有良好的韧性，因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列相当混乱，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。